Hardware-in-the-loop wind turbine system test benches and their usage for controller validation

Jassmann, Uwe; Monti, Antonello; Abel, Dirk

doi:10.18154/RWTH-2018-230830

Hardware-in-the-loop wind turbine system test benches and their usage for controller validation = Nutzung von Hardware-in-the-Loop Systemprüfständen für Windenergieanlagen zur Reglervalidierung

Jassmann, Uwe^RWTH*

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Uwe Jassmann

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (xvii, 164 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Abel, Dirk (Thesis advisor)^RWTH* ; Monti, Antonello (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-10-29

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-230830
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/750754/files/750754.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Regelungstechnik (416610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
control (frei) ; hardware-in-the-Loop (frei) ; inertia emulation (frei) ; model predictive control (frei) ; system test bench (frei) ; wind energy (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Erforschung und Entwicklung von Hardware-in-the-Loop (HiL) Systemen für Systemprüfstände, um den Betrieb moderner Windenergieanlagen mit aktivierter, unmodifizierter Hauptsteuerung an diesen Prüfständen zu ermöglichen. Darüber hinaus stellt die Entwicklung einer Modellbasierten Prädiktiven Regelung für Windenergieanlagen einen zweiten Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit dar. Das Ziel dieser Arbeit ist es unterschiedliche HiL-Verfahren zu entwickeln und zu untersuchen inwieweit sie für die Erprobung von Windenergieanlagen, ausgestattet mit einer modellbasierten Regelung, an Systemprüfständen geeignet sind. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wird hierzu exemplarisch eine Modellbasierte Prädiktive Regelung entwickelt, die auf Basis eines reduzierten Windenergieanlagenmodells und ohne zusätzliche Sensorik, die mechanischen Belastungen der Windenergieanlage verringert und ihre abgegebene elektrische Leistung verstetigt. Durch die Implementierung einer Move-Blocking Strategie wird gezeigt, dass der Rechenaufwand der Modellbasierten Prädiktiven Regelung deutlich gesenkt und sie hierdurch, gemeinsam mit einer Kalman-Filter-basierten Schätzung der Windgeschwindigkeit, auf einer handelsüblichen Speicherprogrammierbaren Steuerung in Echtzeit ausgeführt werden kann. Das in dieser Arbeit entwickelte HiL-System besteht aus einem Signal-level HiL, zur Emulation fehlender Sensoren und Aktoren, und einem Mechanical-level HiL, zur Emulation der fehlenden Rotorträgheit und den damit verbundenen Eigenfrequenzen. Vier Verfahren für das Mechanical-level HiL System werden entworfen und bilden entweder die Trägheit, die Trägheit und die vorberechneten Eigenfrequenzen oder die Trägheit und die sich zur Laufzeit einstellenden Eigenfrequenzen ab. Diese variierende Abbildungsgenauigkeit geht mit einer unterschiedlichen Robustheit der Verfahren einher. Dies führt dazu, dass einzelne, sehr robuste Verfahren für erste Inbetriebnahmen besonders gut geeignet sind. Dies wird im Rahmen dieser Arbeit mit erzielten experimentellen Ergebnissen belegt. Andere Verfahren hingegen weisen einen sehr guten Kompromiss zwischen Robustheit und Genauigkeit auf und sind daher für die Erprobung von Windenergieanlagen, ausgestattet mit einer Modellbasierten Prädiktiven Regelung - als ein exemplarischer Vertreter moderner, modellbasierter Regelungsverfahren - geeignet, was in dieser Arbeit mithilfe umfangreicher Simulationsstudien gezeigt wird.

The subject of this thesis is the research on hardware in-the-loop (HiL) systems for system test benches, which allow the operation of modern wind turbines with activated, unmodified main control at such test benches. Another focus of this thesis is the development of a Model-based Predictive Control for wind turbines. The aim of this thesis is to develop and implement various HiL-methods and investigate to what extent these methods enable the testing of wind turbines, equipped with a model-based control, at system test benches. Within this thesis, a Model-based Predictive Control, based on a reduced wind turbine model is developed. It reduces the mechanical loads of the wind turbine and ensures steady electrical output power, without using additional sensors. By implementing a Move-Blocking strategy, it is shown that the computational power, required by the Model-based Predictive Control, can be significantly lowered. This allows implementation of this control and a Kalman filter based wind speed estimator on a state-of-the-art Programmable Logic Controller and executing both functionalities it in real time. The HiL system developed in this dissertation consists of a signal-level HiL, for the emulation of missing sensors and actuators, and mechanical-level HiL, for the emulation of the missing rotor inertia and the associated eigenfrequencies. Four mechanical-level HiL concepts are designed and either emulate the inertia, the inertia and the pre-calculated eigenfrequencies or the inertia and the eigenfrequencies that evolve at runtime. The varying level of accuracy of the different methods comes along with different levels of robustness. As a result, individual, very robust methods are particularly suitable for initial commissioning. This is shown by experimental results, presented in this thesis. Other methods, however, exhibit an excellent trade-off between robustness and accuracy, and are therefore suitable for testing wind turbines equipped with Model-based Predictive Control, which is shown in extensive simulation studies in this work.

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